西门子CPU模块6ES7513-1FL02-0AB0型号规格
1、引言
冷轧窄带钢有着非常好的市场，但很多生产厂的轧机设备比较陈旧，特别是电气的装机水平和控制性能较差，直接影响到产品的质量、成材率和产量，当然也影响了企业的经济效益。总结前人的窄带钢冷轧机电控装置的设计生产经验，结合用户的具体要求，本着高性能，低成本的原则，选择德国VIPA 300S系列PLC和英国CT不可逆全数字直流调速装置MENTOR-Ⅱ为控制核心，设计制造了一套五机架冷连轧机的电气控制系统，而且实现了速度的级联控制和张力的闭环控制，大大**了设备和产品的各项性能指标，取得了较明显的经济效益。
2、系统介绍
2.1 机组情况
五机架冷连轧机是由开卷机、螺旋储料装置、1-5#四辊冷轧机和卷取机等主要机械设备组成，全线没有活套机构，在1-2#、2-3#、3-4#和4-5#机架间设有张力计，1#机架入口和5#机架出口各有一台测厚仪，以测量来料厚度和成品厚度；每个机架为独立的直流传动系统，1-5#四辊冷轧机均为工作辊传动，辊缝按工艺人工摆放，压下控制采用四象限全数字直流调速装置电动压下替代交流电动压下，卷取机也采用了四象限直流传动系统。图1是机组的组成图。
图1 窄带钢五机架冷连轧机布置图
2.2 电气系统
针对窄带钢五机架冷连轧机的工艺特点，选择高性能的控制元器件是满足控制要求的关键。作为控制核心的PLC，选择了VIPA公司300S系列的CPU作为PROFIBUS系统的主站，在主操作台设置了IM253DP从站和一块TP270触摸屏，在两个压下控制柜和卷取控制柜分别设置了S7-200从站，同时控制1-5#机架的直流控制装置都安装了PROFIBUS扩展板MD24，在1-5#机架的机旁操作箱以及卷取操作台都分别设置了VIPA公司的IM253DP作为从站。
该套PLC系统，以VIPA公司的Speed7系列的作为主站，从站数量达到了16个。作为主站的CPU 315-2AG12，本机自带1M内存（50%程序，50%数据），运算速度高达每毫秒100,000指令，主要采集各个从站的数据，同时向各个从站传递指令，控制整个轧机；1-5#机架从站主要功能是接受主站传输的指令和数据（例如合闸、运行、速度给定等）以控制每个机架电机，同时向主站传递信息和数据（例如故障、速度反馈、电流反馈等）以反映每个机架电机的状态；1-5#架旁操作箱从站分别采集各个机架控制的开关量信号；卷取机从站主要功能是传递卷取电机的各种信息和接受主站的各种指令，同时还进行卷取卷径的计算以实现张力恒定；两个压下从站的功能是控制1-5#压下十台电机，同时还计算2#和5#压下驱动侧和操作侧的位置；系统200V从站主要采集主操作台对整个机列的操作信号；TP270触摸屏，通过MPI与CPU 315-2AG12通讯，主要用于显示各种机列数据（例如机列速度、卷取卷径和设备的故障情况等）。
在本控制系统中，大量选用VIPA公司的IM253DP作为从站，是节省投资的另一个主要方面。IM253DP具有很高的性价比，使用上可以和ET200M相媲美；同时VIPA公司的IM253DP的尺寸较小，采用35mm标准导轨安装，可以减小机旁操作箱的尺寸，接线采用弹簧卡接的型式，快速，可靠。图2是PLC的配置图
图2 五机架冷连轧机PLC系统配置图
直流电机的直流驱动单元采用的是C.T公司的MENTOR－－Ⅱ系列全数字直流控制装置。该系列全数字直流控制装置具有典型的双闭环控制特性，全数字菜单式参数设定，并可在线调整，可编程的模拟量和开关量输入输出，速度反馈可选择电枢电压、测速发电机和码盘，电流环参数自整定功能，装置自检功能，自带小功率磁场驱动及可配套的磁场控制模块FXM5。为了节省投资，1-5#机架直流驱动单元都选用单象限工作的不可逆全数字直流控制装置及磁场控制模块FXM5，采用磁场换向的控制方式，满足点动时对反向的工作要求。
3、系统的控制功能
窄带钢五机架冷连轧机的电气控制系统需要实现：机列的逻辑控制、直流传动控制、速度级联控制、机架间张力闭环控制和卷取张力控制。
3.1 机列的逻辑控制和直流传动控制
这两部分的控制属于基本控制，逻辑控制上主要是在容错方面做了较多工作，因为直流装置采用的是不可逆装置，而工作中，各单机又需要反向点动，做好电机磁场的换向及避免各种误操作对设备造成损坏尤为重要。直流传动控制由于采用了全数字直流控制装置，保证了对给定信号的快速**和稳定可靠地响应，并能准确地反馈各种信号。
3.2 速度级联控制
在冷连轧机的轧制过程中，各机架的速度匹配关系应始终遵循金属秒**相等的原则，针对五机架连轧机，确定3#机架为机列速度基准机架，1#和2#机架按逆向级联方式进行，4#和5#机架按顺向级联方式进行。
按照金属秒**相等的原则，第i机架的速度计算公式是：
Vi=Vi+1/Ki+1
公式中，Vi是本机架的出口线速度，Vi+1是相邻下游机架的出口线速度，Ki+1是相邻下游机架的延伸率。
有三个信号对各机架的速度产生影响：一是机列的主速度给定，根据主操作手给定的机列速度，按相应的级联关系分配给各机架；二是各机架的速度微调，3#机架是基准机架，不需要速度微调，1#、2#和4#、5#机架在操作台上各有一个微调电位器，1#和5#机架是级联终端，它们的微调Vw1、 Vw5分别只对本机架产生影响，而2#和4#机架的微调除了影响本机架，还应级联调节1#和5#机架；三是张力闭环调节信号，1-2#机架间的张力调节信号Vz12，附加给1#机架的速度给定，2-3#机架间的张力调节信号Vz23，除了附加给2#机架，还要级联到1#机架，3-4#机架间的张力调节信号Vz34，附加给4#机架，4-5#机架间的张力调节信号Vz45，除了附加给4#机架，还要级联到5#机架，各机架的终速度给定如下：
5#机架：V5=V4*K5 +Vz45+Vw5
4#机架：V4=V3*K4 +Vz34+Vw4
2#机架：V2=V3/K3 +Vz23+Vw2
1#机架：V1=V2/K2 +Vz12+Vw1
作为1#和5#机架的速度微调，因为它们只影响本机架的速度给定，其实是可以直接进直流控制器的，但是为了充分利用PLC资源，利用PROFIBUS的优点，减少现场布线，所以将各微调信号都送到了PLC。
3.3 张力闭环控制
连轧机机架间张力的变化主要是由金属秒**的变化引起的，由于在轧制过程中，辊缝基本上是不做调节的，所以改变轧机的速度就能改变金属秒**，从而达到控制张力的目的。
轧制过程中，PLC定时对机架间的张力反馈值进行采样，根据相应的张力给定计算出张力偏差值，调用PID控制指令，计算出张力调节信号，变换为速度信号形式，分配给相应的机架，达到通过速度实现对张力控制的目的。图3 是张力控制框图
图3 张力控制框图
需要说明的是，1-2#和2-3#机架间的张力控制信号对应1#和2#机架的速度给定是正极性，也就是1-2#机架间的张力偏大的时候，PID计算的张力调节信号VZ12是使1#机架的速度增加，反之减小；而3-4#和4-5#机架间的张力控制信号对应4#和5#机架的速度给定则是负极性的，也就是3-4#机架间的张力偏大的时候，PID计算的张力调节信号VZ34是使4#机架的速度减小，反之增大。
3.1 卷取机张力控制
卷取机的张力控制由卷取机的从站S7-200来完成，为了使卷取机以恒张力的卷取特性工作，就必须实时计算卷取机的带材卷径；本系统将测速辊的编码器接入S7-200的高速计数通道中，以计算带材长度，同时将卷取机的测速编码器的零脉冲接入高速计数通道，在S7-200的程序中做了事件中断，本系统设置了卷取机的测速编码器每转10转，调用一次中断程序，算出两次的长度差，即可算出卷径。
带材卷径计算出来后，即可通过程序计算出所需的卷取张力值，当卷径较小速度又较快时，卷取电机的速度有可能超过基速，电机则需要弱磁，此时电机的力矩会减小，为了获得恒定的力矩，需要从卷取机直流装置中读取电机的实时转速，计算出弱磁的倍数，按倍数加大卷取电机的电流给定，以补偿弱磁后的力矩减小。
4、系统特点和应用效果
4.1系统特点
A、 将原来人工分别调各机架速度来保持机架间张力，改造为张力自动闭环工作方式，系统响应的快速性、稳定性得到了保证，消除了人为因素的影响；
B、 在300S PLC的编程中，应用OB35系统块的定时中断功能，对张力闭环采取内外环的控制方式，也就是说以3#机架为速度基准，先调用2#和3#PID环，以调节2#和4#机架的速度，在下一个循环周期再调用1#和4#PID环，以调节1#和5#机架的速度，这样就避免了同时调用1-4#PID环所容易引起的速度震荡，效果非常良好。
C、张力的投入是在穿带过程中自动进行，从而在整个轧制过程中实现了张力控制，保证了产品的质量和成品率；
D、 因为整个系统都应用了PROFIBUS通讯，省去了柜子之间以及和操作台之间的布线，大大降低了系统故障率，同时在主操作台设置了良好的人机画面，为客户检修故障提供了方便。
4.2 应用效果
采用上述控制技术，窄带钢五机架冷连轧机的机列速度从90m/min，**到240m/min，张力控制实现了自动闭环，带负荷试车一次成功，运行一年半时间，PLC和直流控制装置未出现任何故障，设备可靠性高，经济效益十分显著。
光伏发电在国际市场中一直处于增长趋势。2008年全球太阳能发电厂装机容量已经超过4500 MW（兆瓦，MWp），是两年前的3倍。去年，仅德国太阳能发电厂的装机容量就达1500MW——而这个容量相当于2006年全球联网的光伏发电总量。
太阳是**落的象征，但是对于依附于太阳的光伏产业却没有**落的神话。欧洲虽然一直是光伏产业的，但其它国家大有后来者居上的意味。目前，光伏市场中，德国市场规模居一，西班牙紧随其后，美国屈居第三。
今年全球光伏发电的投资都将有迅猛的增长。未来光伏产业发展的重点将是欧洲南部和美国。美国太阳能产业协会SEIA预计在经济刺激计划的大力推动下，今年太阳能产业将有强劲的增长。而且，经济刺激计划已为太阳能产业的发展预留了70亿美元的资金。不久前，中国还刚刚宣布要在中国西北地区建立世界大的太阳能发电厂。在阿布达比（Abu Dhabi），半岛的光伏电站正在兴建，它的建成将确保全球首座零碳城市——Masdar市的电力供应。
技术方面，新兴的薄膜电池（使用特殊工艺在玻璃上形成多晶硅薄膜）技术使得太阳能电池板的生产效率得到了大幅的**。估计到2012年，薄膜电池的市场占有率将从现在的12％增长到23％。虽然，晶圆技术在制造过程中会耗费大量的原材料，但是，迄今为止，晶圆技术仍然是太阳能电池制造技术的主导。
让太阳能电池板组装更容易
2008年美国的光伏发电量突破了300兆瓦（MW）。但是，在2007年时，仅有160MW，而2006年还不到100MW。随着光伏发电在公共事业和商业储电中的普及，光伏产业正迎来更快的发展步伐。根据美国太阳能电力协会Taylor对公共事业的统计，预计在未来5年里将有2500MW电力来自光伏发电。随着光伏发电向公共事业以及像沃尔玛这类大型商业用电的普及，越来越多的企业争相恐后的加入到太阳能电池的制造行列中。
太阳能电池板表面看起来很简单，但是，实际制造过程却相当复杂，只有对多层原材料的尺寸、切割、层压、密封等多道工艺都做到严格**，才能保证太阳能电池板的优良性能。多层材料中的任意一层在加工中沾染了污垢、灰尘或者受到污染，都将有可能影响整个太阳能电池板的性能。太阳能电池板组装加工过程的严格、**，是终产品拥有较强环境适应力的根本保证。
复杂制造
太阳能电池板的制作过程，主要包括：**测量、切割、输送、定位、层压、绝缘、贴膜等众多复杂工艺，而且为了防止污染对于像硅酮这类脆弱、昂贵的特殊层，需要额外添加保护膜等防护手段。如果硅层脱落、凸起、或受到严重碰撞，则都可能造成电池板组件的裂缝或者破碎。后，为了增加电池板组件的强度，延长电池的使用寿命，则需要对电池板组件进行装框、固定。通过整套复杂的工艺，才能制造出将太阳能转换为可供使用电能的密封电池板。
位于芝加哥的一家制造企业，生产制造从建筑机械到太阳能电池板的各类设备。在近的一次设备改造中，DMC公司将西门子的太阳能自动化解决方案成功应用于该公司的太阳能电池板生产中。该改造方案选用了西门子317T可编程控制器（PLC）。317T PLC采用了西门子集成运动控制CPU 317T-2 DP技术，此技术在现有标准中央处理器（CPU）的基础上，增加了强大的运动控制功能。而且，317T PLC还专门配有一个高速闭环控制的协处理器。这不仅保证了317T PLC在执行普通任务时的优异性能，也保证了处理运动控制任务时更快的响应速度。
像制作三明治
“制作电池板就像制作三明治。不同的是，需要用玻璃面板替代面包做表层；用EVA和绝缘材料替代肉和乳酪做夹心层，后，将做好的“三明治”太阳能电池板，放入层压机中密封就可以了，”DMC公司（一家位于芝加哥的自动化工程和软件服务企业）技术总监Ken Brey解释说。
“芝加哥的这家电池板制造企业，在电池板组件的机械切割和组件输送两道工序中选用的是一家企业的设备，而在电池板组件的层压工序中选用了另外一家企业的设备。整个电池板制造过程中使用着并非同一厂家生产的设备。随着科技的发展，同一条生产线中，同时使用多家厂商生产的设备已经成为一个越来越普遍的现象。西门子标准化的通信模式，确保了不同厂商的设备间快速、无障碍的通信，从而保障企业利益的大化。”
像太阳能电池板组装这样典型的运动控制系统，一般需要控制2至8个轴。西门子317T PLC多能控制16个轴。而且，317T PLC除了可实现**的单轴定位外，还特别适合于复杂的、同步运动序列，如虚拟/实际主设备的耦合、减速器同步、电子凸轮盘、印刷点修正等。
印刷点套准（registration）在太阳能电池板层压工艺中尤为重要，是光伏电池薄膜层校准的关键。使用西门子STEP 7软件，只需要一个程序就可以保证印刷点套准，大大方便和简化了配置和程序编制。
使用西门子317T PLC的太阳能电池板组装机，CPU就可以实现对系统运动控制的全面管理。例如，通过4伺服轴就可实现层的**定位，不需要外加运动控制器，就可以保证设备的高速运转。而且，通过317T PLC内置的减速器同步和参考点探测，就可实现**的层套准。
从芯片厂到太阳能电站的成功转变
德国不仅仅在光伏发电装机容量上是世界的领跑者，而且在太阳能制造业中也处于世界的地位：全球30％的太阳能电池组件是由德国制造的。德国的太阳能总部设立在Saxony-Anhalt，即所谓的太阳谷中。而在老工业区Bitterfeld-Wolfen，还有几千人也在从事着太阳能产业。整个德国共有超过4.2万人正在从事着与太阳能有关的工作。在德国，太阳能研究和开发市场竞争都异常激烈：仅2008年投资额就超过2亿欧元，并有超过50家的科研院所参与了太阳能的开发和利用。在节能减排、石油资源日益枯竭、环保先行等巨大社会压力下，太阳能产业发展日益蓬勃。太阳能产业发展的相关数据都是由德国“Bundesverband der Solarwirtschaft”（太阳能产业联盟）和瑞士Sarasin资产管理银行统计分析得到的。并且，他们估计太阳能产业在2012年将呈现两位数的增长态势。
随着人们对光伏发电认可度的不断**，以及对光伏发电量需求的不断增加，使得多晶硅需求量呈现迅猛增长的势头。伴随产业规模的壮大，太阳能电池生产控制系统的要求也发生着不断的变化。日前，太阳能企业对系统集成和设备整合的呼声越来越高。
一揽子设施
德国Conergy 公司是在欧洲居于地位的太阳能企业，也是太阳能系统集成领域内的供应商。在法兰克福，该公司将以前的一个芯片生产厂转变为世界上**的太阳能电站。该电站于 2007 年夏天开始运行，并将于 2009 年达到其大发电能力250 兆瓦。
Conergy位于法兰克福的新太阳能电站成为太阳能行业的一个，它将从晶片到光伏组件的所有生产步骤集成到一个完全连续的设计中。Conergy太阳能电站包括一个完全集成的晶片、电池和电池组件生产装置。Conergy 投资了大约2.5亿欧元。这一采用的生产设施可非常高效地批量生产光伏系统，帮助 Conergy 保持竞争优势。
通过将生产和研发活动紧密集成在一起而取得协同作用，Conergy 正在追求着雄心勃勃的创新目标，例如，将单晶硅太阳能组件的效率**到 17 % 以上。 Conergy将内部生产设计与生产单元安排在一起以缩短输送距离。设施采用高自动化等级有助于降低输送过程中敏感性电池的破损。 所使用的设备要进一步实现操作效率和硅消耗量方面的改进。 目前，生产中使用了厚度为 200 微米的电池，但Conergy的目标是将电池厚度降低到160微米或更低。
紧迫的时间安排
用于新装置的设备必须在富于挑战性背景下交付和安装。首先，从技术角度看，用于将各种系统集成到设施内的解决方案相当复杂。其次，该项目必须在非常紧迫的时间内完成：从发出订单到完工仅 7 个月时间。其中还包括通过较为复杂的接口来集成多个设备。但实际表明，这一任务对于 M+W Zander、西门子和 Conergy 的技术项目团队来说只是一个很小的挑战。
M+W Zander 委托西门子公司交付用于整个过程基础设施的自动化技术。该套系统还包括过程冷却装置、空调系统、真空系统、热水加热和分配系统和化学品供应系统。